CN103837416A - 模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，包括垂直反力架、水平反力架和液压油缸；所述垂直反力架与水平反力架垂直交叉放置，两反力架交叉处形成放置岩体试样的六面体空间；所述垂直反力架对应于所述六面体空间的一对平行垂直面两侧分别设有油缸活塞水平移动的水平油缸，对应于六面体空间的两平行水平面两侧分别设有油缸活塞垂直移动的垂直油缸和垂直反力作用面；所述水平反力架对应于六面体空间的另一对平行垂直面两侧分别设有所述水平油缸和水平反力作用面。有益效果在于，可模拟地下防护工程和隧道开挖时的力学状态，从中获取相关数据，为地下工程的开挖尺寸和跨度大小的确定及预测地下工程周围的压力变化等提供依据。

Description

模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置

 

技术领域

    本发明涉及岩体应力测试装置，尤其涉及一种模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置。

背景技术

隧道施工中，被开挖的岩体处于高应力状态，对于城市内隧道施工，还伴随着建筑物和地下管线密布的状况，在开挖岩体的外力作用下，将不可避免的引起周边地层的移动和变形，并可能对建筑设施和管路产生不良影响。最近几年的国防工程和城市建设施工中，很多事故都是由于挖掘时的隧道塌方所致，造成大量人员伤亡和财产损失，其危害巨大且难以预测。

探究深部巷道围岩分区变形机理，研究深部岩体的应力—应变特征，揭示高地应力转移对岩体破碎分化的影响 ，以及应力场的传递和转移受深部岩体的开挖形状和力学性质等影响的规律，对于城市地下道路工程发展有着至关重要的作用。

地下工程建设对施工的安全性和可靠性需要准确地掌握围岩分区的变形机理。但是在实际施工场地进行数据采集非常不便，而且花费巨大。岩体受力很难直接测量，而且随着时间的推移和外部环境的改变其受力情况还在不断的发生着变化，因此需要一种能够方便操作并能够模拟真实环境下的试验装置来获得防护工程或隧道开挖力学行为有关数据并进行受力分析。

现阶段世界上有很多研究岩体材料分区破碎试验的装置，但是都有一定的局限性，主要体现在所提供的应力变化范围不广、应力值调节不精确、无法进行长期的数据采集、稳定性能不高等。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术之不足，提供应力变化范围广、应力值调节精确、稳定性能高、操作简单的高应力条件下深部岩体加卸载试验装置，通过液压油缸来利用液压系统施加压力，在模拟条件下获得地下防护工程和隧道开挖力学状态下的有关数据，从而探究深部巷道围岩分区变形机理，研究深部岩石的应力、应变特征，揭示高地应力转移对岩体破碎分区化的影响。

上述目的由下述的技术方案来实现：

所述加卸载试验装置，包括垂直反力架、水平反力架和液压油缸；所述垂直反力架与水平反力架垂直交叉放置，两反力架交叉处形成放置岩体试样的六面体空间；所述垂直反力架对应于所述六面体空间一对平行垂直面的各一侧设有油缸活塞水平移动的水平油缸，对应于六面体空间一对平行水平面的各一侧分别设有油缸活塞垂直移动的垂直油缸和垂直反力作用面；所述水平反力架对应于六面体空间的另一对平行垂直面各一侧分别设有所述水平油缸和水平反力作用面；置于六面体空间的六面体岩体试样的一对平行垂直面受到对应油缸所施于的方向相反大小相同的模拟应力，另一对平行垂直面和一对平行水平面分别受到对应油缸和反力作用面所施于的方向相反大小相同的模拟应力。

所述加卸载试验装置的进一步设计在于，所述垂直反力架包括至少两垂直反力架单元，所述反力架单元沿厚度方向紧密排列并由螺栓、螺母将相邻的反力架单元连接，以形成一体。

所述加卸载试验装置的进一步设计在于，所述垂直反力架单元包括腹板和翼板，所述腹板连接成平面矩形框，所述翼板将两沿厚度方向平行排列的所述平面矩形框连接成一体，形成具有对应矩形形状的立体矩形框的垂直反力架单元。

所述加卸载试验装置的进一步设计在于，所述垂直油缸和水平油缸连接在所述垂直反力架单元的立体矩形框内由翼板形成的内侧上水平面和内侧垂直面上，所述垂直反力作用面设置在一下压座上，所述下压座连接在垂直反力架单元内由翼板形成的内侧下水平面上。

所述加卸载试验装置的进一步设计在于，所述水平反力架包括前支架、后支架和水平拉杆；所述前支架和后支架分别置于所述垂直反力架的一侧；四根所述拉杆平行放置并穿过垂直反力架，对应端分别连接在前支架和后支架上。

所述加卸载试验装置的进一步设计在于，所述前支架包括内侧板、外侧板、侧面板、拉杆套筒和反力座，所述内侧板和外侧板平行放置，两者对应位置上分别设有拉杆孔，内、外侧板对应位置上的拉杆孔由拉杆套筒连接，对应边侧由对应侧面板连接形成六面体形状的盒体架；所述反力座设置在所述盒体架的内侧板中心位置上，所述水平反力作用面设置在所述反力座端部的平面上。

所述加卸载试验装置的进一步设计在于，所述反力座包括反力座侧板和反力作用面板，四块所述反力座侧板垂直连接在所述内侧板上，相邻的反力座侧板相互垂直连接形成矩形框，一与所述矩形框的矩形形状相对应的反力作用面板连接在矩形框的端部形成矩形台座，反力作用面板的外侧面形成所述的水平反力作用面。

所述加卸载试验装置的进一步设计在于，所述前支架还包括第一导向观察套筒和第二导向观察套筒，所述内、外侧板的中心分别设有导向观察孔，该两导向观察孔由置于内、外侧板之间的第一导向观察套筒连接；所述反力作用面板的中心设有导向观察孔，第二导向观察套筒置于所述反力座的中心并位于反力作用面板与内侧板之间，两端分别连接反力作用面板和内侧板上的导向观察孔，且第一、二导向观察套筒同轴线连通。

所述加卸载试验装置的进一步设计在于，所述后支架包括内侧板、外侧板、侧面板和拉杆套筒和油缸套筒，所述内侧板和外侧板平行放置，两者的中心位置和对应于拉杆位置分别设有油缸孔和拉杆孔；所述油缸套筒和拉杆套筒置于内、外侧板之间，两端分别连接内、外侧板上对应的的油缸孔和拉杆孔，内、外侧板的对应边侧由对应侧面板连接形成六面体形状的盒体架；所述水平油缸置于油缸套筒内，缸头设置在内侧板一侧。

所述加卸载试验装置的进一步设计在于，所述加卸载试验装置还包括下压座、侧压块和上压块；所述下压座设置中所述六面体空间的底部；所述侧压块置于下压座上，且位于岩体式样对应于水平油缸一侧；所述上压块置于岩体式样上端对应于垂直油缸一侧。

    本发明的加卸载试验装置可模拟地下防护工程和隧道开挖时的力学状态，从中获取相关数据，为地下工程的开挖尺寸和跨度大小的确定及预测地下工程周围的压力变化等提供依据，并为探究深部巷道围岩分区变形机理、深部岩石的应力、应变特征，高地应力转移对岩体破碎分区化的影响奠定基础；本发明通过对称设置的水平油缸和水平油缸与对应水平反力作用面及垂直油缸与对应垂直反力作用面向岩体试样的6面施力，这种施力方式既可模拟深部一岩体所受到的应力，又可最大程度节省油缸的使用数量，且油缸施力时均作用于垂直反力架结构内部，与基础基本无关，并且油缸的设置位置合理，使试验装置受力均匀合理，使其能安全可靠地进行长期加载试验，并通过液压油缸来利用液压系统施加不同的压力，以提高应力变化的范围和灵敏度，确保应力的持续时间和稳定可靠；此外本发明的加卸载试验装置对基础无特殊要求，且占用空间小，成本低，操作简便。

附图说明

图1是本发明加卸载试验装置的结构示意图。

图2是图1所示载试验装置的左视图。

图3是图1所示载试验装置的俯视图。

图4是垂直反力架单元的结构示意图。

图5是图4所示垂直反力架单元的左视图。

图6是图4所示垂直反力架单元的俯视图。

图7是图4所示垂直反力架单元的A向视图。

图8是下压座的结构示意图。

图9是图8所示下压座的左视图。

图10是图8所示下压座的俯视图。

图11是前支架的结构示意图。

图12是图11所示前支架的左视图。

图13是后支架的结构示意图。

图14是图13所示后支架的左视图。

图15卡板结构示意图。

具体实施方式

如图1-3，本发明装置主要由垂直反力架1、水平反力架2和液压油缸30、31、32组成。垂直反力架1与水平反力架2垂直交叉放置，在两反力架交叉处形成放置深部岩体试样9的六面体空间5。对应于该空间5的一对平行垂直面各一侧及一对平行水平面各一侧，垂直反力架上具有两两相对的一对平行垂直面117及两两相对的一对平行水平面118。在一对垂直面117上分别连接水平油缸32，水平油缸32的活塞作水平移动，其活塞端面与垂直反力架上的垂直面117平行；一对平行水平面118分别连接垂直油缸31和垂直反力作用面M。对应于空间5的一对平行垂直面各一侧，水平反力架2有两两相对的另一对平行垂直面211、221，在垂直面211上设置水平反力作用面N，在垂直面221上连接水平油缸30。

上述的本发明装置可结合具体实施例中更详尽的结构做进一步的说明。

垂直反力架1由两个垂直反力架单元11组成，参见图1。每一垂直反力架单元11的结构如图4-6所示，由对应是腹板和翼板构成，所述的腹板包括上腹板111、下腹板115和竖直腹板113，上述腹板通过螺栓1144连接成平面矩形框，两这样的平面矩形框沿厚度方向平行排列，相互间由对应的翼板通过焊接连接形成具有对应矩形形状的立体矩形框。所述翼板包括外侧横翼板112、内侧横翼板110、外侧竖翼板114、内侧竖翼板116等。该立体矩形框的内侧面具有由两相对内侧竖翼板116形成的一对平行内侧垂直面117，由两相对的内侧横翼板110形成一对平行水平面118，即内侧上水平面和内侧下水平面。对称放置的水平油缸32通过接垫板35分别固定连接在对应的一内侧竖翼板116上，一垂直油缸31同样通过垫板35固定连接在内侧上水平面即上侧的内侧横翼板110上，参见图7，下侧的内侧横翼板110上连接设有水平反力作用面2121的下压座41。

上述两个垂直反力架单元11沿厚度方向紧密排列并由若干螺栓1143连接，以形成一体。为了便于两垂直反力架单元11的螺栓连接操作，在对应于连接处的外侧竖翼板114和外侧横翼板112上分别设有操作工艺孔1141和操作工艺孔1121。整个垂直反力架1 通过底部地脚螺丝孔1151固定在对应的基础7上。

水平反力架2主要由前支架21、后支架22和四根水平拉杆23组成，前支21和后支架22分别置于垂直反力架1的一侧，四根拉杆23平行放置并分别穿过垂直反力架上的下压座41，其对应的两端分别连接在前支架21和后支架22上。

如图8-10，下压座41具有相互平行的上压板413和下压板415，两者间通过四块围拢成矩框形状的侧板418焊接成一体。为了增加下压座41的刚性，在上压板413和侧板418之间连接三角形413和矩形的肋板417。并在前后侧的侧板418上设置连接拉杆套筒412的孔，拉杆套筒412的两端分别连接在该孔上，使得对应的水平拉杆23能通过拉杆套筒412穿过垂直反力架单元。在上压板413基本中心位置设置压板411，压板411连接在上压板413上，压板411的上端面形成了垂直反力作用面M，压板411面积小于上压板413并小于岩体式样9的下端面。这使得压板411相对三个水平油缸的对应三侧位置具有油缸活塞伸缩的空间和放置对应压块的空间，且在岩体式样9置于压板411后，式样边缘部分露出所支承的压板411，保证油缸活塞的作用力完全作用的式样上，而不作用在下压座41上。

如图11-12，前支架21具有一个盒体架211和一个反力座212。盒体架211具有相互平行的内侧板2111和外侧板2112，该两侧板对应位置上分别设有四个拉杆孔，四个拉杆套筒2114分别置于两侧板之间所对应的一对拉杆孔位置，其两端与上对应拉杆孔连接，两侧板的对应边侧由对应侧面板连接形成六面体形状的盒体架，反力座212设置在所述盒体架的内侧板中心位置上。反力座212主要由反力座侧板2124和反力作用面板2121组成，四块反力座侧板垂直连接在内侧板2111上，相邻的反力座侧板2124相互垂直连接形成矩形框，作用面板2121连接在矩形框的端部形成矩形台座，反力作用面板2121的外侧面形成所述的水平反力作用面N。

为了便于观察深部岩体在受到钻孔外力时内部应力变化而可能引发岩体物理状态的变化，在前支架21中心位置设置导向观察孔2122，这样在内、外侧板及反力作用面板2121的中心分别设置对应的导向观察孔，并在内、外侧板的导向观察孔之间用第一导向观察套筒连接，在水平反力作用面板与内侧板的导向观察孔之间用第二导向观察套筒连接，第一、二导向观察套筒同轴线连通。该导向观察孔还便于钻头的引入，使得试验可模拟岩体受钻孔外力的受力状态，并通过该孔观察受外力状态下的变化情况。

如图13-14，后支架22的结构与前支架21中的盒体架211相似，具有设有四个拉杆孔和一个油缸孔的内侧板222和外侧板221，平行的内、外侧板之间对应于拉杆孔位置放置拉杆套筒223，对应于中心的油缸孔位置放置一油缸套筒224，上述套筒两端分别连接内、外侧板上对应的孔，内、外侧板的对应边侧由对应外侧板221连接，形成六面体形状的盒体架。水平油缸31置于油缸套筒223内，油缸套筒对应与内侧板一端均布有数个螺孔2221，水平油缸的缸头设置在内侧板一侧，将通过螺孔2221和对应的螺钉连接在油缸套筒上。

如图1和图15，拉杆23在前、后支架上进行轴向定位，拉杆23一端设有轴肩231，靠近另一端处设环形槽232，前支架21上的拉杆套筒2114内侧设有对应于轴肩231的台阶孔，使拉杆23一端的轴肩231通过台阶孔进行轴向限位，拉杆23穿过后支架后通过卡板221使拉杆23在轴向定位。卡板221上设有两个并列的半圆形槽孔2211，两半圆形槽孔2211的间距为同高度上两拉杆中心的间距，两卡板221分别从上下两侧插入拉杆23的环形槽232中，并通过卡板上的孔2212用螺钉将两卡板连接成一体，使对应的两拉杆23在轴向固定。

在进行模拟试验时，将岩体试样9放置在下压座41的压板411上，在对应于三水平油缸31、32、32的下压板413位置上分别放置压块41、42、42，并在试样9的上端放置压块43，使油缸活塞通过对应压块作用于试样9上。压块采用Q235B钢包混凝土，而压块对应于试样的一面设置有橡胶垫（未画出），已防止压块可能对试样的刚性接触。试验时通过对称设置的水平油缸和水平油缸与对应水平反力作用面及垂直油缸与对应垂直反力作用面向岩体试样的6面施力，这种施力方式既可模拟深部一岩体所受到的应力，又可最大程度节省油缸的使用数量，且油缸施力时均作用于垂直反力架结构内部，与基础基本无关，并且油缸的设置位置合理，例如将垂直油缸设置在垂直反力架上侧的内侧横翼板上，使得油缸活塞向下施力时与重力方向同向。本发明的试验装置通过导向观察孔2122引导钻头在试样上钻孔，以模拟开挖时岩体力学状态，还可通过导向观察孔2122岩体的物理状态的变化。

 上述的水平反力架2置于安全防护支架6中，参见图1、2、3（点化线表示的部分），该安全防护支架6用地脚螺栓固定于对应的地槽中，支架6的中间设有通道61，通道的宽度D与水平反力架2的宽度相适配，水平反力架2可滑动地置于该通道中，在水平反力架2受到的水平力不均衡时通过在通道61内的自由滑动而释放，反力架所受力基本作用于其内部，而不作用在基础上；同时安全防护支架6对水平反力架2的宽度方向两侧有约束作用，防止矩形框架结构的水平反力架2产生扭曲变形。

Claims (11)

1.模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于包括垂直反力架、水平反力架和液压油缸；所述垂直反力架与水平反力架垂直交叉放置，两反力架交叉处形成放置岩体试样的六面体空间；所述垂直反力架对应于所述六面体空间一对平行垂直面的各一侧设有油缸活塞水平移动的水平油缸，对应于六面体空间一对平行水平面的各一侧分别设有油缸活塞垂直移动的垂直油缸和垂直反力作用面；所述水平反力架对应于六面体空间的另一对平行垂直面各一侧分别设有所述水平油缸和水平反力作用面；置于六面体空间的六面体岩体试样的一对平行垂直面受到对应油缸所施于的方向相反大小相同的模拟应力，另一对平行垂直面和一对平行水平面分别受到对应油缸和反力作用面所施于的方向相反大小相同的模拟应力。

2.根据权利要求1所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述垂直反力架包括至少两垂直反力架单元，所述反力架单元沿厚度方向紧密排列并由螺栓、螺母将相邻的反力架单元连接，以形成一体。

3.根据权利要求2所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述垂直反力架单元包括腹板和翼板，所述腹板连接成平面矩形框，所述翼板将两沿厚度方向平行排列的所述平面矩形框连接成一体，形成具有对应矩形形状的立体矩形框的垂直反力架单元。

4.根据权利要求3所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述垂直油缸和水平油缸连接在所述垂直反力架单元的立体矩形框内由翼板形成的内侧上水平面和内侧垂直面上，所述垂直反力作用面设置在一下压座上，所述下压座连接在垂直反力架单元内由翼板形成的内侧下水平面上。

5.根据权利要求1所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述水平反力架包括前支架、后支架和水平拉杆；所述前支架和后支架分别置于所述垂直反力架的一侧；四根所述拉杆平行放置并穿过垂直反力架，对应端分别连接在前支架和后支架上。

6.根据权利要求5所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述前支架包括内侧板、外侧板、侧面板、拉杆套筒和反力座，所述内侧板和外侧板平行放置，两者对应位置上分别设有拉杆孔，内、外侧板对应位置上的拉杆孔由拉杆套筒连接，对应边侧由对应侧面板连接形成六面体形状的盒体架；所述反力座设置在所述盒体架的内侧板中心位置上，所述水平反力作用面设置在所述反力座端部的平面上。

7.根据权利要求6所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述反力座包括反力座侧板和反力作用面板，四块所述反力座侧板垂直连接在所述内侧板上，相邻的反力座侧板相互垂直连接形成矩形框，一与所述矩形框的矩形形状相对应的反力作用面板连接在矩形框的端部形成矩形台座，反力作用面板的外侧面形成所述的水平反力作用面。

8.根据权利要求6所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述前支架还包括第一导向观察套筒和第二导向观察套筒，所述内、外侧板的中心分别设有导向观察孔，该两导向观察孔由置于内、外侧板之间的第一导向观察套筒连接；所述反力作用面板的中心设有导向观察孔，第二导向观察套筒置于所述反力座的中心并位于反力作用面板与内侧板之间，两端分别连接反力作用面板和内侧板上的导向观察孔，且第一、二导向观察套筒同轴线连通。

9.根据权利要求5所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述后支架包括内侧板、外侧板、侧面板和拉杆套筒和油缸套筒，所述内侧板和外侧板平行放置，两者的中心位置和对应于拉杆位置分别设有油缸孔和拉杆孔；所述油缸套筒和拉杆套筒置于内、外侧板之间，两端分别连接内、外侧板上对应的的油缸孔和拉杆孔，内、外侧板的对应边侧由对应侧面板连接形成六面体形状的盒体架；所述水平油缸置于油缸套筒内，缸头设置在内侧板一侧。

10.根据权利要求5所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述加卸载试验装置还包括下压座、侧压块和上压块；所述下压座设置中所述六面体空间的底部；所述侧压块置于下压座上，且位于岩体式样对应于水平油缸一侧；所述上压块置于岩体式样上端对应于垂直油缸一侧。

11.根据权利要求1-10任一项所述的模拟深部岩体应力状态的加卸载试验装置，其特征在于所述加卸载试验装置还包括安全防护支架，所述安全防护支架中间设有与所述水平反力架宽度相适配的通道，水平反力架置于所述通道中，并可沿所述通道滑动。

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